封面 | 赖溥祥：调控入射光，相干光纤无透镜成像

《 激光与光电子学进展 》于2024年第6期（3月）推出“ 光学显微成像技术 ”专题，本封面为香港理工大学赖溥祥教授课题组综述“基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用（特邀）”。

封面解读

封面展示了基于波前调控实现相干光无透镜光纤内窥成像的工作原理及应用场景。利用空间光调制器在前端对多模光纤（多芯光纤）的入射光进行相干调控，末端无需透镜或扫描器件便能通过超细光纤实现衍射极限光学聚焦和扫描成像，在高分辨率内窥成像、深层组织精准光遗传学、三维光操纵等领域具有广阔应用前景。

文章链接： 程圣福, 仲天庭, 胡子敏, 李浩然, 赖溥祥. 基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(6): 0618002.

光学成像具有安全、无辐射、可灵敏反映生物组织异变等优势，但生物组织折射率分布不均引起的光散射导致高分辨率光学成像的深度受限。为满足深层组织诊断和微创手术需求，医学内窥镜得以发展，目前的电子内窥镜常存在分辨率低、灵敏度不足等问题，而基于光纤（束）的共聚焦激光内窥镜末端需配用透镜或扫描器件，导致探头尺寸较大，在无天然腔道情况下深入组织会引起较大创伤。

近年来，无透镜光纤成像技术崭露头角，通过对入射光的相干调制可利用单根多模光纤（直径50-400 μm）或多芯光纤（直径200-800 μm）实现高分辨率成像。无透镜光纤的相干调控常利用空间光调制器（SLM）对入射光进行幅度、相位或偏振态的空间调控及脉冲光时间调控。除了主动施加波前调控进行扫描成像，还可通过多种信号处理方法从光纤输出测量中实现被动目标恢复。无透镜光纤成像技术具有侵入性低、分辨率高、探头简单和低成本等优势，在内窥诊断及相关应用上具有广阔前景。

多模光纤支持上千上万种模式，但其内在的模式混叠限制了直接成像应用；而多芯光纤包捆着多根单光纤，存在传图像素化和纤芯间相位失真的问题。基于对入射光的相干调控，可将多模或多芯光纤转变为高分辨率成像光纤，按操作逻辑可分为如下两大类方法：

主动波前调控

主动波前调控是利用SLM对光纤输入光场主动施加空间（相位、幅度、偏振态）或时间（脉冲宽度）上的调控，从而克服多模光纤模式混叠或多芯光纤相位失真的影响，控制光在光纤的传输以实现末端聚焦和激光扫描成像。由于复杂介质的未知性，往往需要来自光纤末端的反馈信号才能获取最优波前。对光纤进行主动波前调控的无透镜成像方法包括迭代波前优化、波前共轭以及传输矩阵。

迭代波前优化（图1a）通常需要探测光纤末端的散斑光强或者以非侵入式的“引导星”（如双光子荧光）作为聚焦反馈，不断调整加载在SLM上的相位直至获得最优聚焦效果。常用的波前优化方法有连续顺序算法、遗传算法、自然梯度策略等。相比波前优化需要多次测量以及迭代，波前共轭（图1b）仅需单次干涉测量便可实现重聚焦，但依赖光纤末端已有的聚焦“引导星”。在实现透过光纤聚焦的基础上，还需要多次波前优化或共轭，或借助光纤中的记忆效应实现焦点扫描成像。更主流的做法是测量光纤的传输矩阵（TM），包括基于内部参考光的同轴全息（图1c）、基于外部参考光的离轴全息（图1d）和相位恢复法。测量TM可校准光纤，实现光纤末端任意聚焦和扫描成像。图2展示了基于TM测量的光纤校准方法及一些光纤荧光内窥显微成像结果。

图2 基于TM测量的光纤校准及荧光内窥显微成像结果（a）典型的多模光纤校准及内窥成像实验装置图；（b）荧光小球宽场及多模光纤扫描成像结果；（c）鼠脑切片神经元的共聚焦成像及多模光纤成像结果；（d）多模光纤鼠脑活体内窥成像结果;（e）多芯光纤校准后横向和轴向点扩散函数；（f）多芯光纤对荧光小球的非相干宽场及相干扫描成像结果

被动目标重建

光纤无透镜成像一般包括往返内窥成像和单向图像传输这两种场景。除主动波前调控进行扫描成像之外，无论是内窥宽场成像还是光纤图像传输都需要从被扰乱的输出光场中恢复目标信息。这种被动目标重建方法涉及TM运算、散斑相关、压缩感知、深度学习、光学建模等多种信号处理方法。

基于TM恢复物体常采用TM的伪逆与散斑测量相乘，例如Popoff等人于2010年提出了均方差优化（MSO）算子用于通过散射介质的图像传输，后续被用于多模光纤中。此外，2012年Choi等人基于TM运算首次实现了多模光纤反射式宽场内窥成像。散斑关联成像则依赖散射介质中存在的记忆效应，在多芯光纤中应用较多，基于所探测的散斑自相关和物体自相关近似相等的假设实现物体重建。近些年也有一些多模光纤压缩成像的工作，其原理是预先记录一批光纤生成的散斑图案，然后在成像阶段仍然采用相同散斑图案照明物体，采用压缩感知从所记录的单像素光强序列中重建物体。相比点扫描成像，压缩成像所需测量次数更少，对于简单物体可实现超分辨重建。基于深度学习的多模光纤图像传输近些年也有大量研究，关注点包括物体重建保真度、泛化性以及动态散射条件适应性等。此外，对于无透镜多芯光纤内窥成像，还存在一类在光纤近端记录反射光场复振幅，并建模光学衍射传播以实现体成像的方法。

过去十年，一系列先进的光学显微成像模态和技术已经通过单根多模光纤或多芯光纤得以实现，为无透镜光纤内窥成像提供了不同模态的图像信息，或在分辨率、视场、景深、稳健性等光纤内窥成像维度上实现突破。

图3 先进无透镜光纤成像模态。（a）基于多模光纤对2.5 μm PMMA颗粒和2 μm PS颗粒的相干反斯托克斯拉曼散射图像；（b）利用多模光纤对小鼠心脏的偏振二次谐波成像结果；（c）多模光纤光片显微成像装置图；（d）多模光纤对血红细胞进行光声显微成像原理图

常规的无透镜光纤内窥成像模态一般包括线性荧光扫描成像和反射式成像，还面临诸多不足，例如轴向分辨率不够、成像信息不够充分、荧光成像存在光漂白/光毒性等。为此，研究人员将多种先进显微成像模态引入到无透镜光纤成像中，如非线性光学成像、光片荧光成像、光声成像、定量相位成像等，以丰富光纤内窥成像的图像信息，并具有体成像、组织病理成像或相位成像等独特优势，如图3所示。而对于一些先进无透镜光纤成像技术，它们或采用新型成像技术或采用特种光纤工艺，在分辨率、视场、空间深度、稳健性等不同成像维度上取得了显著突破，包括超分辨成像、长距离成像、飞行时间成像、光场成像以及侧视多模光纤和抗干扰多芯光纤，如图4所示。